【毕业学位论文】(Word原稿) LED功率因数调节的研究-光信息科学与技术

本科毕业论文 率因数调节的研究 陈 俊宇 200931120102 指导教师 徐海涛 讲师 学院名称 理 学院 专业名称 电子信息科学与技术 论文提交日期 2013 年 4 月 17 日 论文答辩日期 2013 年 5 月 20 日 摘 要 一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生 复合放出过剩的能量而引起光子发射， 最后发出光 。 造出来的照明器具。 如今能源危机和全球气候变暖越来越严重， 能，环保，寿命长的特点 ，受到了越来越多人的重视 。因此，用 明代替现有的照明用具越来越普遍，而 功率因数偏低有很多坏处，其中最重要的是会给供电设备的带负载能力打了折扣，即降低了带负载能力。还有就是输电线路由于无功电流存在，增加了输电线路损耗。 本文是基于 率因数调节的研究 。首先是对有关 的理论说明和解释，然后介绍调高功率因数的方法 及各种校正电路 ，最后 分析一种 功率因数校正 电路 在 不同 情况下 的功率因数调节对于整个系统的作用，并制作效率曲线图来直观地体现功率因数提高的好处。 本次研究利用芯片 端直接接交流市电，全桥整流电路， 滤波电路以及无源谐波滤波逐流电路实现功率因数的调节。最后通过万用表，功率表对实际电路的测量， 计算出功率因数和效率等重要参数， 制作表格和曲线图来 分析功率因数和效率的关系 。 关键词 ： 功率因数 校正电路 无 源谐波滤波逐流电路 10642, is a is a It is of as in by to by is ED as a by is on of ED ED of ED a to of in a in to of of of ED C as as a by to a of to as to of by 目 录 1 前言 . 1 题的研究背景 . 1 . . 1 高 . . 2 高 . . 2 2 基本 理论 . 2 率因数 . . 2 率因数的概念 . . 2 率因数的补偿 . . 3 关公式 . . 3 源功率校正 . . 3 源功率校正 . 4 源谐波滤波逐流电路 . 4 3 具体 电路设计 . 5 计流程 图 . . 5 流滤波电路原理 . . 5 源谐波滤波逐流电路 原理 . . 6 片工作原理 . 7 的设计 . 9 体电路功能 及实物 图 . 10 4 测试与试验分析 . 11 量的参数 . . 11 量的 工具 . . 11 量 的 数据 . . 12 据的曲线图 . . 13 据分析 . . 14 5 结论 . 15 率因数提高的效果 . . 15 率因数对转换效率的影响 . . 16 参 考 文 献 . 17 附 录 . 18 致 谢 . 19 毕业论文（或设计）成绩评定表 1 1 前言 题的研究背景 也即发光二极管。它 发明于 20世纪 60年代，在随后的数十年中，其基本用途是 用作 电子设备的指示灯。长期以来，人们之所以没有将 要 是因为最初的 有发出蓝光的绿蓝三色光混合后，才能产生白光。另外，由于 常只有几瓦，不能达到照明的照度要求。经过几十年的发展，这些问题已经得到 很好的 解决， 其发光效率的逐步提高、造价逐步降低， 尤其 是在 当下 全球能源短缺的背景下， 注 ， 可以说是 在未来 10年成为最被看好的市场以及最大的市场， 即 将取代白炽灯、紧凑型节能灯和荧光灯，成为下一代的新型光源。 现在 为一种新型绿色光源产品 逐步 进入人 们的生活， 占有率越来越高， 因此 明的优点 节能 ： 向辐射特性 使 它所发出的大部分光能无须经过反射就可直接到达被照物体， 所以 转化效率非常高，理论上与白炽灯比较能达到 90 的节能，相比荧光灯也可以达到 50 的节能效果。此外，由于电网电压夜晚较高，使得传统光源越到夜晚能耗越高。而 功率大小不随电源电压变化，这也是其节能的原因所在。 发光效率高 ： 从理论上讲 00 上。如果按发光效率达 150 其他光源进行比较， 7倍，为白炽 11 5倍。 寿命长，性能稳定 ： 目前好的 寿命可达 50 000h，是白炽灯的 20多倍，荧光灯的 10倍。若每天工作 11 h，可用 环保 ： 闪烁、无紫外线，热辐射极低，对人眼无危害。目前使用的 大部分 照明光源中都含有汞，光源废弃后会对环境造成污染， 尤其 是荧光灯废弃后，灯内的汞溢出会对环境及水源造成长期的、严重的污染。而 废弃物几乎可以全部 回收利用，这不仅节约了资源，还保护了环境。 因此 应用和 发展前景受到了越来越多人的重视。 2 高 率因数的好处 首先 可以提高发电、供电设备的能力，使 得其 得到充分的利用 ， 通过改善功率因数，减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等的容量，因此不但减少了投资费用，而且降低了本身电能的损耗 。 同时 藉由良好功因值的确保，从而减少供电系统中的电压损失，可以使负载电压更稳定，改善电能的质量。 还 可减少输、变、配电设备中的电流，因而降低了电能输送过程的电能损耗。 最终 减少 了 企业 电费开支，降低生产成本 ，提高企业的生产动力。 整体来说提高功率因数对整个电网的节能，提高用电质量十分有意义，虽然在个人用户用电很难体现，但对整体来说是有影响的，同时增加了用户的电能利用率也对电器的转换效率也很有意义。 但功率因数过高不一定转换效率高，还要视情况而定。 高 率因数的方法 目前有两种方法：有源功率因数校正和无源功率因数校正 。 无源功率因数校正电路比较简单，成本低，看可靠性高，电磁干扰比较小，但是尺寸较大，校正效果与频率，负载及输入电压变化有关，与有源 相 比 提高功率因数效果没有有源 的好。 有源功率因数校正电路的功率因数调整接近 1，总谐波失真小，但是电磁干扰较大，输入电压和频率范围很宽，体积和重量小，输出电压恒定。 本次研究主要是以无源功率校正电路的 无源谐波滤波逐流电路作为研究对象，分析功率因数调节对整个 能的影响。 2 基本 理论 率因数 率因数的概念 功率因数即 有功功率与视在功率之比。在交流电路中，电压与电流之间的相位差 ()的余弦叫做功率因数，用符号 示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即 。 功率因数的大小与电路的负荷 性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为 1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于 1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的 无功功率 大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。 3 率因数 的 补偿 当交流电通过纯电阻负载时，加在该电阻上的交流电压与通过该电阻的交流电 流是同相位的，即它们之间的相位夹角 =0，同时在电阻负载上消耗有功功率，电网要供出能量。当交流电通过纯电感负载时，其上的交流电压的相位超前交流电流相位 90，它们之间的夹角 =90，在电感负载上产生无功功率，电网供给的电能在电感中变为磁场能短暂储存后又回馈到电网变为电能，如此周期性循环不已，结果电网并不供出能量，故谓“无功功率”，但产生“无功功率”的“无功电流”还是实际存在的。当交流电通过纯电容负载时，亦类似于此，只不过其上的交流电压的相位滞后交流电流相位。交流电通过感性负载时，交流电压的相位超前交流电 流相位 (0 90 )；交流电通过容性负载时，交流电压的相位滞后交流电流相位 ( 0 )；电工学定义该角度 为功率因数角，功率因数角 的余弦值即 做功率因数。对于电阻性负载，其电压与电流的位相差为 0，因此，电路的功率因数为 1 最大（ =1）；而纯电感电路，电压与电流的位相差为 90，并且是电压超前电流；在纯电容电路中，电压与电流的位相差则为 - 90，即电流超前电压。在后两种电路中，功率因数都为零（ 0 = 0）。这就是说，感性负载和容性负载可以互相补偿，一个电路里的 感性元件的感抗值正好等于容性元件的容抗值则可以完全补偿，功率因数补偿的办法就源于此。 关公式 视在功率：即交流电压和交流电流的乘积。用公式表示为： S=中， 位是 安）； 位是 V，如 220V、 380位是 A。 视在功率包括两部分：有功功率（ P）和无功功率（ Q）。有功功率是指直接做功的部分。比如使灯发亮、使电机转动、使电子电路工作等。因为这个功率做功后都变成了热量，可以直接被人们感觉到，用式表示： P 。式中， 位是 W（瓦）； F 称为功率因数，而 是在非线性负载时电压电流不同相时的相位差。无功功率是储藏在电路中但不直接做功的那部分功率，用式表示： Q 式中， 位是 ）。 源功率因数校正 有源 基本上可以完全消除电流波形的畸变 ,而且电压和电流的相位可以控制保持一致 ,它基本上完全解决了功率因数、电磁兼容、电磁干扰的问题 ,但是电路非常的复杂 20以消除因电 容充电 4 造成的电流波形畸变及相位变化 ),由一个“斩波”电路把脉动的直流变成高频 (约 100流经过整流滤波后 ,其直流电压再向常规的 其过程是 C 有源功率因数校正技术的思路是，控制已整流后的电流，使之在对滤波大电容充电之前能与整流后的电压波形相同，从而避免形成电流脉冲，达到改善功率因数的目的。 本次设计主要研究的是无源功率校正中的无源谐波滤波逐流电路 对 数 校正以及其转换效率的影响 ，而有源功率 因数 校正暂不考虑。 源功率因数 校正 无源功率因数校正电路是 不使用晶体管等有源器件组成的校正电路 ,一般由二极管、电阻、电容和电感等无源器件组成。 这种电路主要是在整流桥堆和滤波电容之间加一只电感 (适当选取电感量 ),利用电感上电流不能突变的特性来平滑电容充电强脉冲的波动 ,改善供电线路电流波形的畸变 ,并且利用电感上电压超前电流的特性也补偿滤波电容电流超前电压的特性 ,使功率因数、电磁兼容和电磁干扰得以改善 。 源谐波滤波逐流电路 无源谐波滤波逐流电路时无源功率校正电路的一种 。电路如下图所示 : 它是由两个电容和三个二极管组成的无源滤波电路，它的工作原理是基于是降低输入直流电压，在每一个半周期内，将交流输入电压高于直流输出电压的时间拉长，整流二极管的导通角就可以增大，电源电流过零的死区时间则缩短。 为本次研究所设计的 源是用 无源谐波滤波逐流电路来作为功率校正电路，具 5 理论分析功率因数校正后可达到 3 具体电路 设计 计流程 图 流滤波电路原理 本次电路的 C 转换模块设是用单向桥式整流电路和一个 滤波 电容构成，具体电路如下图所示。 本次桥式整流器有的是型号 当 入交流市电， 在正半周期， 3导通， 止， 出正向电压；在负半周期， 通， 止， 向电压。在负载上，正负半周期经过合成，得到的是同一方向的单向脉动电压。 6 本次电路用的是型号 滤波电容。整流后的电压经过滤波电容，即可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流分量的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量 ，实现了初步的交流转直流。 源谐波滤波逐流电路 原理 无源谐波滤波 逐流 电路如下图 虚线部分 所示，其接在整流滤波电路后面 。 第一步 所示的为传统的全桥整流和大容量的电容滤波电路从 网中获得 压的方式，其优点是电路简单成本低，但是这种 C 转换 会使桥式整流器的输入端产生非正弦波的 其高次谐波远远超出了 限值，以非常有必要加一个功率校正电路。 不加功率校正电路则会产生高幅值的尖峰脉冲电流，它 是因为整流二极管的单向导通性所致。由于二极管在正向偏置时才会导通，也就是说只有在 C 电压时，整流二极管才会有电流通过。显而易见，二极管只有在 压峰值附近才会导通，其导通角小于 90。 无源谐波滤波逐流电路 可以提高功率因数， 它是由两个电容和三个二极管组成的无源滤波电路，它的工作原理是基于是降低输入直流电压，在每一个半周期内，将交流输入电压高于直流输出电压的时间拉长，整流二极管的导通角就可以增大，电源电流过零的死区时间则缩短。 无 源滤波 电路由 成。具体工作过程如下 :电源电压为 U ,桥 7 式整流输出电压设为 压最大值为 在 0升到峰值） 期间 , 电源电流经过 6,4,同时给负载供电 ,当 m/2 , 此刻 m 。在 值到 0） 时间内 , U 按正弦规律下降 ,5, 直到 m/2时 , 2截止 ,正向偏置而导通 ,电容 过二极管 指数规律对负载放电 , 电容 过二极管 以指数规律对负载同时放电 , 电源电流 I 出现死区。在 0 到负峰值） 开始的一段时间内 ,由于 U 仍小于 3,不能导通 , 电流 I 继续中断。只有 U 高于 出电压最小值 , 4 才开始导通 ,电源电流再一次对 6,电 ,正弦规律上升 ,于是出现与正半周类似的情况 ,如此周而复始。由以上分析不难看出 ,二极管导通时间明显大于电容 滤波 电路。由于 逐流电路 二极管两端开通电压大于电容两端电压 ,因此导通角小于改进型 逐流电路 。 片工作原理 本次电路用的 动芯片是 下是芯片内部结构图。 一个低成本的可 压，升压，升 压的控制芯片 ,特别适合设计驱动多串 列 C 交流输入，也适用于 8 450V 的直流输入，交 输入时，为提高功 因素， 1000 所规定的照明设备的交流谐波的限制 ,在输入功率小于 25W, 可很容易的在线 中加入无源功 因素校正电 得以实现。 驱动上百个高亮度的 或数 高亮度的 些 被设 8 计成一串或串并联结合的方式， 过调节恒 值可确保 光谱并延长寿命。 特色是使能脚 采用脉宽调制 (方法调节 同时兼作使能端，该端悬空时芯片无输出控制。 可通过 线性调压的方式连续调节 输出电流从而控制 (也叫线性调光 )。 效率 动 允许电压从 8直到 450对效控制。 过一个可升至 300 频率来控制外部的 频率可用一个电阻调整。 是受到恒定电流的控制而不是电压 , 如此可提供持续稳定的光输出和提高可靠度。输出电流调整范围可从 到 提供功率 号时 , 驱动器就在一个电感中储存能量，或在变压器的初级线圈中储存 能量，根据转换器的类型不同，能量也可能部分直接传送到 去。储存在磁性元件中的能量，在功率 断时候向输出端送出（ 作模式） 。 当在 电压超过 值电压， 输出。输出电流依靠外部功率 峰值电流来控制。 源极连有一调节电流的电阻 该调节电流电阻上的电压被反馈到 9910 的 上去。一旦电流飙升， 上的电压超过阀值， 输出信号中止， 断。该自动关断的阀值，在 9910 内部已经被设定为 250可通过改变 的电 压来调节。如果需要设定软启动， 需要接一个电容来抬高它的电压，确保通过 输出电流在启动时是逐渐提高的 。 因此，该芯片控制 以恒流方式控制的，而不是恒压方式控制的。 此芯片还可以设置 光功能 ，因为本次研究不考虑 光功能 ，所以此引脚设置占空比 100%，无 光。 下面为 片参数： 470V 续的 耗散功率 ( +25C) ( 备注 1) 16O ( C 在 +25C 以上时 )： 750 9C 在 +25C 以上时 )： 900O ( C 在 +25C 以上时 ) ： 6309 工作环境温度： 85C 工作节温： +125C 贮存环境温度： 150C 的设计 最后 的 是由两个 12 串 2 并的 快串联和一个散热器组成，具体实物图如下图所示。它的总的额定功率 24W，实际达不到这么大，可用作一般的壁灯或者日光灯。 板 参数： 产品名称： 12W 5730灯板 芯片 ：迪源 20*40 规格 ： 65集成方式 ： 12串 2并（ 5730） 单 颗电流 ：单颗为 1502串后最佳使用电流在 300电压 ： 色温 ：正白光： 6000白光： 2900通亮 ： 5012320 工作温度 ： 储藏温度 ： 特性 ：较大功率相比 免去了人工焊接，发光均匀，光效好 产品适用范围 ：适用于 灯等 10 体电路功能及实物 图 最终电路是由电源模块和 模块构成 ，实现对 亮灭的控制。由于研究的需要，将电源模块的功率因数校正电路单独分开，需要时可用杜邦线连接。这样可以将于实际的研究。具体实物图如下。 图一 未接交流市电的时候 11 图二 接上交流市电后 亮 4 测试与试验分析 量的参数 因为， 视在功率 =交流电压和交流电流的乘积 。所以，首要测量的参数为交流市电输入电压和电流的有效值，用 功率因数 =有功功率 /视在功率，有功功率可用微型电力 监测 仪直接测得，用 示，上述两者比值即可得功率因数，功率因数用 研究 能最重要的一点为电源转换效率，即输出功率和用功功率的比值。输出功率即输出电压和输出电流的乘积，两者都可使用万用表测得，分别用 示，输出功率用 换效率用 表示 直接测量的参数有 间接计算得到的参数有： 。 量的工具 测量的工具主要有微型电力 监测 仪和万用表。 微型电力和 监测 仪如下图所示。 此监测仪可以计量用功功率，监测 当前电压有效值、当前电流有效值、当前有功功率值和当前电压频率。还可记录用电总时间，以及计算二氧化碳排放量。本次研究主要用到此监测仪前三个功能来测量 它的规格为 220V， 500A(，功耗为 1W。 万用表即普通实验室用的数字万用表，本次研究用于测量 12 量的数据 下面以表格的形式呈现出来 （ 分 无功率因数校正和有功率因数校正两种情况） 无功率因数校正 额定功率 24W 25k 1502 2000 2509 3004 50k 1503 2005 25000 30015 100k 1002 1504 20010 13 有功率因数校正 额定功率 24W 25k 1508 2001 2500 3005 50k 1506 2006 25018 30010 100k 1004 1505 如上表所示，第一列是芯片工作频率，由电阻设定，第二列位输出电流的设定值，也由电阻设定，但和实际输出电流有差，一般频率为 50误差较小，后 面就是上述所说的各种与功率因数研究有关的测量参数。 据的曲线图 14 据 分析 将功率因数 排 除外的情况下 :所用 载有两种，分别是 12W 和 24W，其中 12W 是 12串 2 并， 24W 是 24 串 2 并，单颗 额定功率是 作电流是 150180串并后最佳使用电流在 300下。在一开始给 过的电流是 3040以平均到每个灯上的电流很 15 小， 未正常工作。所以一开始的电源效率极低，仅 3040%。 根据实验数据，在频率 50流 250 右工作效率最高，达 84%。而在 50电源的效率都在 80%以上。但在该频率下也发现在使用过程中会出现灯时不时轻微闪烁和发出“吱吱”的声音，该声音来自电感。应是电感不足或是滤波部分没有考虑。 在使用过程中，发热最严重的是 。在 25频率下，无论工作电流多大，多长时间工作 也不会发热，但在 50件下，若电流在 150上长时间工作就会发热但不严重。若是在 100使是 100 200没有测量更大电流以及更高频率下 的效率。 200 出现该现象原因是 的导通损耗与电流成正比，开关损耗与频率成正比，所以当电流和频率变大时，损耗变大，从数据中看出该 的损耗确实随着变大，这与测试中的发热现象吻合。 通过计算该电源各个元件在工作中可能产生的功率消耗，得出其计算总和，与实际的功率损耗相比在数值上，小电流时接近吻合，当电流较大时与略有偏差，因为大电流时发热改变了温度，使得 的导通电阻发生变化，故计算不准确。另外大电流和高频率情况下 些都会影响到功耗的计算。 因 为各个元件的功耗相对稳定，所以如果提高负载的功率，那元器件带来的损耗在总功率的比重相应会变小，整体效率也会提高。所以测试结果在负载 24W 的条件下效率要高于 12同频率下，工作电流越大效率越高也是相同道理。但负载不能无限提高，理论上不能超过 30W。 不同频率下最高效率的条件相同。在 25及 50，当电源输出电流 200条件是与配套的 相适应，该电流下的 好处在功率最大的条件下。而即使是相同电流效率最大，不同频率的效率也是不同的，在 200505要高 10%左右。所以该电源的最优使用条件是使用 24，工作频率50定电流 200230 总的来说， 若不将功率因数考虑 进去， 该电源在频率 50流 250右工作效率最高。基本上负载额定功率大的情况下，效率高。不同功率情况下，效率与频率存在相关性同工作频率下，电流越大，功率越大，效率也越大频率越高， 发热越大，总体损失功率越大。在 50200源出现轻微闪烁，电感会发出“吱吱”的声音。应该是电感不足或是滤波部分没有考虑。 16 将功率因数考虑进去： 从上述的表格当中以及曲线图的直观体现，可看出，有功率因数校正和无功率因数校正两种情况，不仅功率因数差别很大，而且电源效率也差